스마트폰의 카메라와 손전등을 손가락 끝으로 가리면 화면이 붉고 짙게 빛납니다. 그 붉은빛은 손전등 빛이 센서에 도달하기 전에 손가락을 통과해 — 피부, 조직, 혈액을 거쳐 — 나아간 것입니다. 그리고 이 빛은 일정하지 않습니다. 심장이 뛸 때마다 손가락 끝의 혈관으로 조금 더 많은 혈액이 유입되고, 혈액은 빛을 흡수하므로, 심장 박동에 맞춰 투과되는 빛의 양이 미세하게 줄어듭니다. 이 빛은 맥박에 맞춰 어두워졌다가 밝아지기를 반복합니다.

이것이 바로 광혈류측정 — PPG — 이며, 간호사가 손가락에 끼워주는 집게나 스마트워치 뒷면의 초록색 LED와 같은 원리입니다. 빛을 뜻하는 "Photo"와 부피 변화 측정을 뜻하는 "plethysmography"가 합쳐진 말입니다. '맥박' 도구는 투과형 방식을 사용합니다. 조직 한쪽에는 손전등이, 반대쪽에는 카메라가 위치하여 그 사이를 통과하는 빛의 주기적인 변화를 신호로 포착합니다. 이 도구는 분당 맥박수와 실제 맥박 신호의 세기라는 두 가지 정보만을 보여주며, 진단 결과는 절대로 제공하지 않습니다.

이토록 미세한 신호를 복원할 수 있는 이유

맥박으로 인한 투과광의 변화는 매우 미세합니다. 대부분 전체 광량의 몇 퍼센트, 혹은 그 이하에 불과한 아주 작은 변화가 거대한 고정값 위에 실려 있는 형태입니다. 이 변화를 복원하려면 다른 모든 요소가 가만히 유지되어야 하며, 바로 이 부분에서 이 플랫폼 특유의 엄격한 캡처 제어가 진가를 발휘합니다.

첫째는 손전등입니다. 여기에서 의미 있는 유일한 광원이며, 이미 알고 있는 광원입니다. 손가락에 밀착된 고정된 위치, 고정된 출력으로 캡처하는 동안 계속 켜져 있습니다. 측정 시 조사되는 빛은 일정하므로, 센서에 수신되는 주기적인 변화는 전적으로 그 사이에 있는 매질로 인해 발생한 것입니다. 주변광은 거의 들어오지 않습니다. 렌즈를 덮은 손가락 끝이 대부분의 빛을 차단하며, 새어 들어오는 소량의 빛도 주기적이기보다는 일정하기 때문입니다.

둘째로, 카메라는 자동 보정 동작을 멈춥니다. 스마트폰 카메라의 기본 동작은 우리가 원하는 신호와 정확히 반대로 작동합니다. 자동 노출(AE)은 프레임이 약간 어두워지는 것을 감지하고 이를 보완하기 위해 게인을 높이며, 자동 화이트 밸런스(AWB)는 붉은빛이 쏟아지는 상황을 제멋대로 판단하여 프레임의 색조를 다시 바꿉니다. 두 기능 모두 몇 퍼센트에 불과한 생체 신호의 변화를 소프트웨어 보정으로 지워버립니다. 따라서 맥박 도구는 캡처가 진행되는 동안 AE와 AWB를 고정합니다. 프레임은 하나의 고정된 척도로 측정되며, 오직 빛 자체의 변화만이 기록됩니다. 이는 반사율 및 반투명도 도구를 작동하게 만드는 것과 동일한 원칙이며, 탭 테스트의 가공되지 않은 오디오 경로와 광학적 사촌 관계에 있는 규칙입니다. 편리함을 주는 부가 기능은 끄고, 물리학 법칙만 남기는 것입니다.

거기서부터 분석은 프레임들을 시간 경과에 따른 밝기 변화 그래프로 평균화하고, 그럴듯한 범위 내에서 지배적인 주기성을 찾아내며, 그 주기성이 실제로 그래프의 에너지 중 얼마큼을 설명하는지 측정하는 작업입니다(이 또한 매우 중요합니다). 이 마지막 수치가 맥박수와 함께 표시되는 신호 세기 지표입니다. 흔들림 없이 단단히 누른 손가락 끝은 강력하고 깨끗한 파형을 만들어 내지만, 손을 떨거나 손가락이 차갑거나 렌즈를 불완전하게 덮으면 신호가 약해집니다. 이 도구는 측정 상태가 어떠했는지 알려주므로 신뢰도가 낮은 측정값은 믿지 않고 버릴 수 있습니다. 모든 과정은 기기 내부에서 실행되며, 어떤 프레임도 스마트폰 외부로 유출되지 않습니다.

이것은 의료 기기가 아닙니다. 맥박 도구는 맥박수와 신호 세기만을 보고할 뿐, 진단이나 건강상의 조언을 제공하지 않습니다. 이 도구는 의료 기기로 승인, 인증 또는 검증되지 않았으며, 건강 상태를 결정하는 용도로 사용해서는 안 됩니다. 너무 높거나 낮거나 불규칙한 맥박수 등 건강에 중요한 측정값에 대한 의문은 스마트폰 카메라가 아닌 임상의와 적절한 전문 장비를 통해 해결해야 합니다.

물리 법칙은 측정 대상이 손가락인지 모릅니다

이 대목에서 맥박 도구는 단순한 장난감용 심박수 앱을 넘어섭니다. 이 측정 과정에서 손가락에만 국한되는 것은 아무것도 없습니다. 이 도구는 렌즈에 밀착된 매질에 의해 투과광이 주기적으로 변조되는 정도를 측정합니다. 손가락 끝은 혈류량이 고동치기 때문에 여기에 해당할 뿐입니다. 하지만 고동치는 다른 모든 대상 역시 마찬가지입니다.

소형 펌프에 연결된 부드러운 튜브를 렌즈와 손전등에 밀착시키면, 펌프가 작동할 때마다 액체의 부피(그리고 그에 따라 흡수되는 빛의 양)가 심장 박동과 똑같은 방식으로 변화합니다. 이 도구는 맥박을 읽는 것과 마찬가지로 펌프의 주기적인 작동 속도를 읽어냅니다. 이는 다음과 같은 상황에서 매우 유용하게 쓰일 수 있습니다:

이러한 범용성은 도구의 기능을 억지로 늘린 것이 아닙니다. 피사체를 가정하는 대신 매질 자체를 측정하는 특성에서 비롯된 것입니다. 속도 측정값은 리듬을 만들어내는 주체가 무엇인지 상관하지 않습니다. 바로 이 점 때문에, 의학적 측면에서는 단지 숫자에 불과할 뿐이지만, 배관 및 설비 측면에서는 더할 나위 없이 훌륭한 측정 도구가 됩니다.

정직하게 짚어보는 속도 측정의 유용성

출력되는 결과가 측정 수치와 신뢰도이기 때문에, 가장 정직한 사용 사례는 실제 수치가 유의미하게 활용될 수 있는 상황들입니다. 호기심에 달리기 전후로 안정 시 수치를 확인하는 것. 펌프가 제대로 작동하고 있는지, 얼마나 빠르게 회전하고 있는지 검증하는 것. 몇 주 동안 기계의 리듬이 조금씩 어긋나는 것을 관찰하는 것 등입니다. 각 측정값은 해당 측정값에 속하는 대상 아래에 저장할 수 있습니다. 사람은 카탈로그상의 대상이 될 수 없지만 펌프는 대상이 될 수 있으며, 단순 호기심으로 측정한 경우에는 대상을 지정하지 않은 캡처만으로도 충분합니다. 그리고 다른 모든 도구와 마찬가지로, 나중에 실제 결과를 라벨로 지정할 수 있습니다. 예컨대 '실제로 고장 났던 펌프', '실제로 막혔던 배관'과 같이 말이죠. 이것이 바로 데이터셋의 플라이휠 효과를 배관 분야에 적용한 결과입니다.

이 측정값을 진단 목적으로 사용하는 것은 적절하지 않으며, 이 도구의 디자인 역시 이를 분명히 하고 있습니다. 이 도구는 분당 박동수와 신호 세기만을 표시할 뿐, 그 이상은 제공하지 않습니다. 심박수 구간도, 경고도, 웰니스 점수도 없습니다. 이러한 절제가 바로 핵심 기능입니다. 있는 그대로 신뢰할 수 있는 수치 하나가 신뢰할 수 없는 성급한 진단보다 훨씬 낫습니다.

하나의 기술, 다양한 계측기

Pulse는 손전등과 자동 노출/자동 화이트 밸런스(AE/AWB)가 고정된 카메라를 결합하여 제어 가능한 광학 계측기를 만드는 소수의 도구 제품군에 속합니다. 이 제품군의 다른 도구들은 동일한 빛과 고정된 감지기를 사용하여 다른 질문에 답을 구하며, 표면 반사율과 반투명도를 측정합니다. 그리고 이 제품군은 스마트폰의 센서를 단순한 편의 기능이 아닌 하나의 계측기로 다루고자 하는 거대한 프로젝트의 한 갈래에 불과합니다. 전체 그림을 보고 싶다면 도구 개요에서 시작해 보세요.